5.3.Влияние аэродинамики на потребительские свойства колесной машины

Совершенствование аэродинамических характеристик скоростных автотранспортных средств (АТС) позволяет заметно улучшить их техникоэкономические показатели. Снижение коэффициента аэродинамического сопротивления обеспечивает повышение топливной экономичности и скоростных свойств АТС, а, следовательно, и их производительности. Уменьшение коэффициента боковой и подъемной силы улучшает показатели управляемости и устойчивости автотранспортных средств. Оптимизация характера обтекания под днищевой зоны и кормовой части уменьшает аэродинамическое сопротивление АТС и уровень их загрязняемости, а также улучшает экологию окружающей среды.

Основной составляющей аэродинамического сопротивления автомобиля является сопротивление формы. Форма автомобильного кузова определяет величину и месторасположение зон повышенного и пониженного давления, а также источников вихреобразований при взаимодействии его с потоком воздуха. На образование и сход вихрей с поверхности кузова тратится значительное количество энергии, восполняемой двигателем автомобиля, потребляющим на это дополнительное количество топлива. Поэтому при создании высокообтекаемых кузовов необходимо устранить зоны повышенного и пониженного давления воздуха , а также отрывные течения и вихреобразования, обеспечив, по возможности, безотрывное обтекание кузова воздухом при движении автомобиля во всем диапазоне рабочих скоростей с учетом воздействия боковых ветров. Для этого при проектировании кузова особое внимание следует уделять отработке формы его носовой части, поскольку она, наряду с кормовой, определяет характер обтекания автомобиля воздухом. Обтекаемость носовой части кузова зависит от углов наклона облицовки радиатора, капота и ветрового стекла.

Помимо углов наклона облицовки радиатора, капота и ветрового стекла на обтекаемость носовой части кузова влияет степень закругления верхней и боковых фронтальных кромок капота. Если эти фронтальные кромки острые или закруглены малым радиусом, то при натекании воздушного потока за ними образуются отрывные, увеличивающие аэродинамическое сопротивление автомобиля. Закругление фронтальных кромок капота устраняет эти отрывные течения и улучшает обтекаемость носовой части кузова.

Наряду с носовой частью на обтекаемость автомобиля влияет форма кормовой части кузова. Форма задней панели кузова и угол ее наклона в совокупности с формой крыши оказывают решающее влияние на характер обтекания воздушным потоком кормовой части автомобиля, структуру поля скоростей и давлений в следе за ним, определяя в значительной мере величину аэродинамического сопротивления автомобиля.

Основными направлениями и приемами совершенствования аэродинамики легковых автомобилей являются:

129

-оптимизация контурного фактора за счет снижения удельного веса отрывных течений, в первую очередь путем увеличения углов наклона облицовки радиатора, крышки капота, ветрового стекла и радиусов закругления фронтальных кромок кузова;

-придание передку автомобиля и его ветровому стеклу цилиндрической формы в плане;

-удаление с поверхности кузова всех выступающих элементов конструкции или их тщательная аэродинамическая отработка, в том числе выполнение заподлицо с кузовом остекления, устранение водостоков и т.д.;

-создание кузовов каплеобразной формы с безотрывным обтекани-

ем;

-разработка систем организованного и дозированного забора и выброса воздуха для охлаждения радиатора и двигателя, а также вентиляции

иохлаждения салона;

-применение гладкого днища с организацией безвихревого протекания воздушных потоков в подднищевой зоне;

-установка кузова с отрицательным углом тангажа в сочетании с оптимальным дорожным просветом, регулируемым в зависимости от условий движения автомобиля;

-тщательная герметизация мест соединения и касания панелей капота, дверей и крышки багажника с кузовом;

-оптимизация формы переднего буфера с переходом его в нижнюю панель и облицовку радиатора в совокупности с применением небольшого по высоте переднего спойлера;

-использование задних спойлеров;

-установка специальных аэродинамических колпаков на колесах и частичное перекрытие задних колес;

-разработка и применение специальных конструктивных элементов и решений по снижению загрязняемости, а также уровня аэродинамического шума автомобилей.

Наряду со снижением коэффициента Сх необходимо уменьшать ло-

бовую площадь F проектируемого автомобиля, поскольку затраты мощности и расход топлива на преодоление его аэродинамического сопротивления зависят от величины Сх F .

Возможности снижения аэродинамического сопротивления автобусов, учитывая их значительные лобовые площади, в сравнении с легковыми автомобилями, существенно ниже.

Основными направлениями работ по снижению аэродинамических потерь и улучшению обтекаемости междугородных автобусов являются:

-отработка их носовой части с увеличением радиусов закругления фронтальных кромок кузова;

-устранение с лобовой панели зон забора воздуха для охлаждения двигателя, а также источников дополнительного сопротивления;

130

-повышение степени гладкости кузова с применением установленных заподлицо с ним приклеиваемых стекол;

-улучшение протекания потоков в подднищевой зоне путем тщательной отработки днища в сочетании с оптимизацией дорожного просвета

иустановкой кузова с отрицательным тангажом.

Среди всех конструктивных факторов, влияющих на аэродинамическое сопротивление автобусов, определяющим является форма лобовой части кузова в сочетании, как уже отмечалось, с величиной радиусов закругления его фронтальных кромок.

Оптимальными, с точки зрения снижения аэродинамического сопротивления автобуса, являются следующие соотношения радиуса R закруг-

ления и ширины Вк кузова:	0,04 ≤ R Bк ≤ 0,08 ;
для верхней кромки
для боковых кромок	0,06 ≤ R Bк ≤ 0,1.

Основным направлением улучшения аэродинамики магистральных автопоездов является совершенствование их аэродинамических характеристик путем оптимизации влияющих на обтекаемость конструктивных параметров, в число которых входят:

-отработка формы кабины в целом и ее лобовой панели с устранением находящихся на ней мелких выступающих элементов;

-уменьшение величины превышения кузова над кабиной;

-увеличение угла наклона лобового стекла кабины;

-применение укороченной, обтекаемой, высокой кабины с размещением в ее верхней части спального места водителя;

-использование гладких цельнометаллических кузовов и уменьшение количества находящихся на них мелких конструктивных элементов;

-увеличения радиуса закругления фронтальных кромок кабин (увеличенной высоты - до 75…150 мм, высоких обтекаемых - до 150…450 мм);

-уменьшение расстояния между кабиной и кузовом (для седельных автопоездов) и между тягачом и прицепом (для прицепных) до минимально необходимого для обеспечения кинематики поворота автопоезда;

-оптимизация сочетания кабины и кузова с учетом их формы и взаимовлияния при работе в составе автопоезда;

-уменьшение расстояния от переднего буфера до дороги и использование элементов плоского днища на тягаче для снижения аэродинамических потерь в подднищевой зоне;

-отработка систем забора и выпуска воздуха для охлаждения двигателя и вентиляции кабины;

-улучшение характера обтекания кормовой части автопоезда для уменьшения зоны отрицательных давлений на задней стенке кузова и спутного следа за ним;

-применение вместо сдвоенных колес одинарных с широкопрофильными или низкопрофильными шинами, закрытых нижними боковыми щитками.

131

Среди перечисленных конструктивных мероприятий по совершенствованию аэродинамики магистральных автопоездов наиболее эффективным является улучшение обтекаемости их головной части, зависящей от типа и формы кабины.

В настоящее время наблюдается тенденция к использованию на магистральных автопоездах кабин увеличенной высоты, имеющих существенно лучшие показатели обтекаемости чем серийные низкие. Это объясняется более совершенной формой их лобовой панели, в том числе в плане, а также большими радиусами закругления фронтальных кромок. При этом закругление нижней фронтальной кромки достигается установкой нижнего обтекателя под передним буфером.

Высокая обтекаемая кабина при правильно спроектированной лобовой панели может иметь безотрывное обтекание, а поскольку такая кабина имеет одинаковую с кузовом ширину и высоту, то при минимизации зазора между ними создаются предпосылки для перетекания воздушного потока с поверхности кабины непосредственно на крышу и боковые стенки кузова. Высокая кабина обеспечивает заметное уменьшение аэродинамического сопротивления автопоезда по отношению к исходной низкой во всем диапазоне изменения угла натекания потока. При этом наибольшее снижение коэффициента Сх аэродинамического сопротивления автопоезда дает ус-

тановка высокой кабины с эллиптической лобовой поверхностью и значительными радиусами закругления боковых фронтальных кромок.

Вторым направлением улучшения обтекаемости магистральных автопоездов является использование внешних аэродинамических устройств. Это направление может реализовываться в порядке модернизации плохо обтекаемых серийных автопоездов. Установка навесных аэродинамических элементов позволяют без изменения основных формообразующих элементов кабины и кузова и без больших капиталовложений существенно улучшить аэродинамические характеристики магистральных автопоездов. Эффективность применения внешних аэродинамических устройств определяется целесообразностью их установки на том или ином автопоезде, а также правильностью выбора типа и месторасположения устройства. В табл. 5.2 приведен перечень рекомендуемых для использования на магистральных автопоездах навесных аэродинамических устройств и указан обеспечиваемый ими эффект в части улучшения обтекаемости кабины и кузова.

На рис. 5.5. показаны зоны установки навесных аэродинамических элементов на седельном и прицепном автопоездах, а также достигаемое при этом снижение ∆Сх аэродинамического сопротивления. Установка комплектов навесных аэродинамических элементов на седельном и прицепном автопоездах снижает значение их коэффициента Сх аэродинами-

ческого сопротивления при нулевом угле натекания потока на 41 и 45% соответственно. Следует отметить, что значительное снижение коэффициента Сх при кососимметрическом натекании воздушного потока обеспечи-

132

вается за счет установки задних боковых щитков на кабине и кузове и нижних боковых щитков на тягаче и прицепе.

Таблица 5.2 Номенклатура аэродинамических устройств, рекомендуемых для установки на магистральных автопоездах

Наименование	Место установки		Эффект, обеспечиваемый данным
аэродинамического	устройства			устройством
устройства
Верхний лобовой обте-	Крыша кабины		Устранение	отрицательного		влияния
катель			превышения кузова над кабиной и за-
			зора между ними путем направления
			воздушного потока непосредственно на
			крышу и боковые стенки кузова
Фронтальные аэроди-	Верхняя и боковые		Уменьшение отрывных течений и зон
намические закрылки	передние кромки ка-		пониженного	давления за	передними
	бины		верхней и боковыми кромками кабины
Нижний лобовой обте-	Передний бампер		Устранение отрывных течений за бам-
катель			пером, снижение расхода воздуха под
			тягачом, упорядочение воздушных по-
			токов под ним и исключение их взаи-
			модействия с выступающими элемен-
			тами ходовой части и трансмиссии
Задние боковые за-	Задняя	стенка каби-	Частичное перекрытие зазора			между
крылки на кабине	ны		кабиной и кузовом для улучшения его
			обтекаемости и устранения отрица-
			тельного влияния бокового ветра
Верхний дефлектор ку-	Задняя кромка кры-		Уменьшение отрицательного влияния
зова	ши кузова тягача		зазора между кузовами тягача и прице-
			па
Нижние боковые щитки	Ниже	боковых сте-	Уменьшение сопротивления колесного
	нок кузовов тягача и		движителя и	отрицательного		влияния
	прицепа		бокового ветра на выступающие эле-
			менты ходовой части и трансмиссии
Наименование	Место	установки	Эффект, обеспечиваемый данным
аэродинамического	устройства		устройством
устройства
Задний обтекатель	Задняя стенка кузова		Уменьшение	разрежения	на	задней
			стенке кузова и спутного следа за авто-
			поездом

133

Рис. 5.5. Схема установки аэродинамических устройств на седельном (а) и прицепном (б) автопоездах и достигаемое при этом снижение коэффициента аэродинамического сопротивления Сх

Возможное снижение коэффициента Сх автопоездов седельного и

прицепного типа за счет отработки их формы и применения внешних аэродинамических устройств показано на рис. 5.6.

Аэродинамическое сопротивление является одной из основных составляющих мощностного и топливного балансов скоростных автотранспортных средств. При этом доля затрат мощности и расхода топлива на преодоление аэродинамического сопротивления автомобиля зависит от его типа, степени обтекаемости, лобовой площади, скорости движения, параметров атмосферы и натекающего воздушного потока. При больших скоростях движения затраты мощности и топлива на преодоление аэродинамических потерь значительно возрастают и становятся преобладающими над остальными видами сопротивления движению автомобиля.

134

Рис. 5.6. Снижение коэффициента Сх автопоездов путем отработки формы

иприменения внешних аэродинамических устройств:

а- седельного; б - прицепного

Втабл. 5.3 приведены соотношения сопротивлений (аэродинамического, качению, потерь в трансмиссии) движению легкового автомобиля и магистрального автопоезда различного уровня обтекаемости по бетонному шоссе с различными скоростями и соответствующих расходов топлива на их преодоление (в %). Видно, что аэродинамическое сопротивление легкового автомобиля при указанных скоростях движения значительно выше его сопротивления качению и потерь в трансмиссии. По мере улучшения

обтекаемости и снижения коэффициента Сх расход топлива на преодоле-

ние аэродинамического сопротивления автомобиля уменьшается. Удельный вес аэродинамического сопротивления магистрального ав-

топоезда и расходуемого на его преодоление топлива по мере улучшения обтекаемости уменьшаются. По мере увеличения скорости аэродинамическое сопротивление автопоезда и расход топлива интенсивно возрастают.

На рис. 5.7 показано возможное снижение расхода жидкого топлива за счет увеличения в эксплуатации количества автомобилей и автопоездов со сниженным на 25% аэродинамическим сопротивлением.

135

Таблица 5.3 Соотношение аэродинамического сопротивления и расхода топлива на его преодоление для автотранспортных средств различного уровня обтекаемости

			Удельный вес аэродинамического сопротивления и
			расходуемого на его преодоление топлива при различных
			значениях коэффициента Сх			и скоростях движения, в %
Исследуемый			Легкового
параметр			переднеприводного		Магистрального автопоезда
			автомобиля малого			массой 17 т
			класса массой 0,9 т
				Скорость движения Vа , км/ч
			90	120	60		80	100
Аэродинамическое		Сх :
сопротивление при			60	70	46		55	60
0,45	(0,85)*
0,35	(0,60)		57	66	39		48	56
0,25	(0,45)		49	58	34		41	46
Расход топлива на
преодоление
аэродинамического
сопротивления при Сх :			46	58	36		48	53
0,45	(0,85)*
0,35	(0,60)		41	52	31		40	48
0,25	(0,45)		33	44	22		30	32

* В скобках указаны значения коэффициента аэродинамического сопротивления Сх для магистрального автопоезда

Рис. 5.7. Возможная экономия топлива за счет накопления в парке автомобилей и автопоездов со сниженным на 25% аэродинамическим сопротивлением

136

Снижение аэродинамического сопротивления позволяет повысить производительность АТС. Как известно, производительность АТС определяется количеством перевезенного груза в тоннах или выполненной транспортной работой в тонно (пассажиро)-километрах за единицу времени. Таким образом, повышение производительности обеспечивается как увеличением количества перевезенного груза (пассажиров), так и ростом скорости движения АТС. При этом наряду с экономией топлива, снижение аэродинамического сопротивления позволяет повысить скоростные и динамические качества АТС, влияющие на производительность и среднюю техническую скорость движения, которая в свою очередь зависит от их максимальной скорости. Так как снижение аэродинамического сопротивления позволяет существенно повысить максимальную скорость АТС, то возрастает и их производительность.

Улучшение обтекаемости кабины и кузова способствует повышению безопасности и экологичности автомобилей и автопоездов.

Важным вопросом является снижение загрязняемости автомобилей и автопоездов и их вредного воздействия на окружающую среду. Магистральные автопоезда, двигаясь по влажным автотрассам с высокими скоростями, интенсивно загрязняются сами и создают вокруг себя значительные по протяженности вихревые структуры, насыщенные грязеводяной суспензией, которая, осаждаясь на обочинах, загрязняет окружающую среду. Кроме того, отмеченные явления ухудшают обзорность с рабочего места водителей автотранспортных средств, двигающихся в транспортном потоке, что снижает безопасность движения. Основные причины этих явлений: наличие большого количества незакрытых вращающихся колес, повышенное давление в подднищевой зоне и пониженное на крыше кузова и кабины, а также значительный спутный след, образующийся за автопоездом. Открытые колеса разбрызгивают значительный объем грязеводяной суспензии, часть которой в виде мелкодисперсной влажной пыли поднимается

ираспространяется по обеим сторонам автопоезда, затрудняя его обгон и загрязняя окружающую среду. Другая часть подхватывается и увлекается поперечными кольцевыми вихрями, индуцированными разностью давлений на днище и крыше, на боковые стенки кабины и кузова. Наконец, отбрасываемые задними колесами частицы воды и грязи, соединяясь с двигающейся по бокам автопоезда массой загрязненного воздуха, попадают в образующийся за кузовом из-за разрежения на его задней стенке вихревой спутный след, интенсивно загрязняя ее, двигающийся сзади автотранспорт

иприлегающую к шоссе территорию.

Учитывая повышенный интерес к вопросам безопасности движения и экологии окружающей среды, в настоящее время во многих странах проблемы уменьшения разбрызгивания и загрязняемости автотранспортных средств решаются законодательным путем. Так, в Великобритании и ряде стран ЕЭС магистральные автопоезда должны оборудоваться специальными брызговиками, удерживающими отбрасываемую колесами воду и грязь. Это достигается за счет применения глубоких брызговиков, охватывающих

137

колеса по их периметру и боковинам таким образом, что степень перекрытия равна высоте профиля шины. Внутренняя поверхность таких брызговиков покрывается специальным брызгоудерживающим материалом, так называемой «полиэтиленовой щетиной», имеющей игольчатую внутреннюю поверхность. При ударе увлекаемой колесами воды об эти синтетические иголки, они поглощают ее кинетическую энергию и препятствуют брызгообразованию и выбрасыванию воды из брызговика, заставляя ее стекать вниз - на поверхность дороги.

Заметное влияние на экологичность и эргономичность автомобиля оказывает аэродинамический шум, причиной возникновения которого являются отрывные течения, возникающие за острыми фронтальными кромками кабины и кузова. Аэродинамический шум, так же как и общий шум, создаваемый при движении АТС, подразделяется на внутренний, замеряемый в кабине (салоне) водителя, и внешний. Внутренний аэродинамический шум определяет комфортность условий работы водителя и относится к числу эргономических факторов, влияющих на безопасность движения. Внешний аэродинамический шум определяет степень воздействия двигающегося АТС на окружающую среду и является экологическим фактором.

При движении АТС возникает шумовое загрязнение окружающей среды. Основными источниками шума являются: двигатель, его система питания, забора воздуха и выброса отработавших газов; трансмиссия; шины; поверхность кузова.

Общий внутренний шум двигающегося АТС состоит из 3-х основных составляющих: остаточного, аспираторного и аэродинамического.

Остаточный шум - это внутренний шум, создаваемый двигателем, системой выпуска отработавших газов, вспомогательным оборудованием, трансмиссией, шинами и зависящий только от скорости движения самого АТС. Поэтому остаточный шум при заданной скорости движения и любой скорости натекающего воздушного потока, вызванной наличием ветра, остается постоянным, т.е. не зависит от скорости натекания воздушного потока.

Аспираторный шум - это часть общего шума в кабине (салоне) АТС, возникающего из-за проникновения воздуха сквозь некачественные уплотнения окон и дверей внутрь кабины (салона) или выходом за ее пределы. Эта часть шума определяется при двух состояниях уплотнений окон и дверей кабины (салона): стандартном и герметизированном. Разница между значениями уровней шума для указанных типов уплотнений и составит величину аспираторного шума.

Аэродинамический шум - это разность между общим шумом и остаточным и аспираторным. В отличие от остаточного, величина аэродинамического шума зависит от скорости натекания воздушного потока. Исследованиями установлено, что интенсивность аэродинамического шума являет-

ся функцией скоростного напора q = ρV∞2 2 в степени 2,75.

138

В целом имеются три основных источника возникновения аэродинамического шума в салоне: местный отрыв воздушного потока от поверхности кузова; «громыхание», возникающее при открытых боковых стеклах или люке крыши, при этом столб воздуха внутри автомобиля возбуждается внешним потоком и салон становится резонатором; перетекание воздуха из-за недостаточного уплотнения дверных проемов, а также крышек капота и багажника.

Источником аэродинамических шумов кроме самого салона и кузова являются и другие системы и элементы автомобиля (вентиляторы, воздухозаборные и вытяжные отверстия, шины) из-за их неоптимальной с точки зрения обтекаемости формы и наличия острых фронтальных кромок и дополнительных элементов на их поверхности.

Для снижения уровня внешнего и внутреннего шума необходимо улучшать обтекаемость автомобиля путем отработки формы кузова (кабины) и увеличения радиуса закругления их фронтальных кромок.

139